戶用型光伏并網(wǎng)逆變器的研究與設(shè)計(jì)

何 軍，司德亮，郭延軍

(上海神舟電力有限公司，上海200233)

戶用型光伏并網(wǎng)逆變器的研究與設(shè)計(jì)

何 軍，司德亮，郭延軍

(上海神舟電力有限公司，上海200233)

戶用型光伏并網(wǎng)逆變器采用全橋逆變結(jié)構(gòu)，著重分析了并網(wǎng)逆變器的控制策略和孤島檢測(cè)控制方法。為了穩(wěn)定直流母線電壓和實(shí)現(xiàn)單位因數(shù)并網(wǎng)，采用電壓電流的雙環(huán)控制策略；提出一種改進(jìn)型主動(dòng)式頻率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)運(yùn)用于并網(wǎng)逆變器的孤島檢測(cè)控制。Matlab/Simulink仿真表明：該并網(wǎng)逆變器的控制具有低電流諧波畸變率、高功率因數(shù)等特點(diǎn)，完全滿足設(shè)計(jì)的需要。

戶用型；并網(wǎng)逆變器；雙閉環(huán)；孤島檢測(cè)；改進(jìn)型AFD

國(guó)外的并網(wǎng)逆變器已經(jīng)是一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，比較典型的有SMA、Sun Power和Siemens等公司的產(chǎn)品；國(guó)內(nèi)相關(guān)公司的產(chǎn)品正處于快速發(fā)展的階段。主要突出的問(wèn)題是并網(wǎng)逆變器的轉(zhuǎn)換效率、電流諧波畸變率以及孤島檢測(cè)等[1]。

1 戶用型光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)及原理分析

1.1 并網(wǎng)逆變器的電路結(jié)構(gòu)

戶用型并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)大體分為兩種，其區(qū)別在于是否帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)[2]。本文研究的是一種不帶儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)逆變器采用電壓型全橋逆變結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由于直流并聯(lián)有大電容，因此，直流輸入側(cè)的電壓脈動(dòng)比較小，整個(gè)電路呈現(xiàn)低阻抗特性。

1.2 全橋并網(wǎng)逆變器的建模

圖1所示的結(jié)構(gòu)圖也可作為單相電壓型光伏并網(wǎng)逆變器的等效電路。其中，2為輸出濾波電感，為線路等效電阻，為電網(wǎng)電壓。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有：

當(dāng)逆變器的占空比為D，則逆變器的輸出電壓Uac為：

圖1 并網(wǎng)逆變器全橋逆變結(jié)構(gòu)

根據(jù)式(1)和式(2)，有：

1.3 孤島檢測(cè)的原理分析

孤島效應(yīng)是并網(wǎng)逆變器可能會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，它是指電力系統(tǒng)的一部分(包含負(fù)載和正在運(yùn)行的分布式發(fā)電設(shè)備)脫離了公共電網(wǎng)后單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電的狀態(tài)[3]。如圖2所示，光伏并網(wǎng)逆變器并聯(lián)到公共電網(wǎng)上對(duì)負(fù)載供電，如果電網(wǎng)由于故障或檢修等原因[4]停電，但并網(wǎng)逆變電源未能及時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)停電狀態(tài)，從而變成獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)以自身的輸出電壓和頻率向負(fù)載供電，此時(shí)的光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于孤島狀態(tài)。

圖2 孤島效應(yīng)示意圖

2 并網(wǎng)逆變器的控制策略分析

2.1 并網(wǎng)逆變器的控制方式

電壓型并網(wǎng)逆變器的控制量有兩個(gè)：輸入電壓和輸出電流。輸入電壓即直流母線電壓，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率反映在輸出電流上，不同的功率對(duì)應(yīng)不同的輸出電流，因此，本系統(tǒng)必須穩(wěn)定輸入電壓；同時(shí)輸出電流也必須達(dá)到并網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)網(wǎng)，所以對(duì)于輸出電流的控制也是非常關(guān)鍵的。

基于以上分析，本文采用電壓電流雙閉環(huán)控制方法，控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓電流雙閉環(huán)控制框圖

2.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分，對(duì)其要求是必須具有很快的響應(yīng)速度，并且能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓信號(hào)，因此，電流環(huán)采用典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]。

電流環(huán)采用比列積分調(diào)節(jié)，即：

為了讓PI控制器的零點(diǎn)能抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)，有：

逆變器可看成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，即：

因此，電流環(huán)控制下的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可寫為：

根據(jù)控制理論知識(shí)可知，欲使二階系統(tǒng)獲得理想的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，應(yīng)該滿足如下條件：

對(duì)比式(9)和式(13)，可得：

解得：

式(16)、式(17)即為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制參數(shù)的計(jì)算公式。

2.3 電壓環(huán)設(shè)計(jì)

電壓環(huán)的主要作用是穩(wěn)壓，故系統(tǒng)整定時(shí)，應(yīng)著重考慮系統(tǒng)的抗擾性能，可按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電壓環(huán)[5]。電壓環(huán)的系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 電壓環(huán)控制框圖

電壓環(huán)采用比列積分調(diào)節(jié)，即：由式(9)可得電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

由式(22)和式(23)可得：

由此解得：

式(25)和式(26)為電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的理論設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)中可根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行修改。

2.4 孤島檢測(cè)算法分析

文獻(xiàn)[7]針對(duì)孤島效應(yīng)和檢測(cè)盲區(qū)的分析，提出了各種檢測(cè)方法。文獻(xiàn)[8]主要利用常規(guī)主動(dòng)式頻率偏移法(Active Frequency Drifting,AFD)解決孤島效應(yīng)問(wèn)題，對(duì)于不同特性的負(fù)載，常規(guī)AFD算法的不足將會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。

公共檢測(cè)點(diǎn)PCC處的電流頻率能否在孤島出現(xiàn)后有較大的偏移是決定孤島檢測(cè)成功的關(guān)鍵[9]，上周期的電壓頻率()決定了本周期的電流給定頻率(+)，有：

基于以上分析，傳統(tǒng)的AFD檢測(cè)都是針對(duì)單向的頻率擾動(dòng)，而對(duì)于不同的系統(tǒng)，其負(fù)載特性無(wú)法預(yù)知，逆變器的電流與電壓的相位角由負(fù)載決定，采用常規(guī)AFD產(chǎn)生的相位差等于孤島發(fā)生時(shí)負(fù)載的相位差時(shí)，常規(guī)AFD進(jìn)入檢測(cè)的盲區(qū)，需要一種更加適應(yīng)負(fù)載的改進(jìn)型AFD檢測(cè)方法。

如圖5所示，本文的改進(jìn)型AFD孤島檢測(cè)方法是指對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出的電流頻率施加正反兩個(gè)方向的頻率擾動(dòng)，以消除負(fù)載對(duì)單一頻率擾動(dòng)方向的平衡作用。

3 系統(tǒng)仿真分析

為了驗(yàn)證理論的正確性，通過(guò)Matlab軟件下的Simulink仿真環(huán)境搭建了整個(gè)并網(wǎng)逆變器的仿真模型。如圖6所示，該系統(tǒng)包括單個(gè)組件參數(shù)為表1所示、連接方式為4×4的光伏陣列模塊(PV model)，Boost模塊，帶孤島檢測(cè)功能的并網(wǎng)逆變器模塊。

圖5 改進(jìn)型AFD原理

圖6 光伏并網(wǎng)逆變器仿真模型

由于本文主要討論并網(wǎng)逆變器的控制，對(duì)于最大功率點(diǎn)跟蹤將不再討論，光伏陣列經(jīng)過(guò)Boost后的輸出電壓為350～450 V。表1為光伏組件參數(shù)。

表1 光伏組件參數(shù)

3.1 并網(wǎng)仿真分析

仿真參數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)狀況下，線路等效電阻 0.01 Ω，電網(wǎng)220 V/50 Hz，仿真時(shí)間0.4 s。電流環(huán)PI參數(shù)計(jì)算值分別為和電壓環(huán)PI參數(shù)計(jì)算值分別為和直流母線電壓和逆變器輸出電流如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 (a)直流母線電壓和(b)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓

電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)是在理論基礎(chǔ)上的理想值，由圖7(a)可以看出，直流母線電壓的調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，0.3 s左右達(dá)到穩(wěn)定。并網(wǎng)電流在初始時(shí)刻出現(xiàn)很大的波動(dòng)，這是由于控制算法有一定的時(shí)間滯后，輸出電流在一個(gè)電流周期跟上電網(wǎng)電壓，達(dá)到同步的目的。這種情況下的電流總諧波畸變率為3.79%，功率因數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)定值。

為了改善直流母線電壓的快速性以及并網(wǎng)電流的快速性和穩(wěn)定性，降低雙環(huán)積分系統(tǒng)，改雙環(huán)PI控制參數(shù)為：電流環(huán)=32.2，=50；電壓環(huán)'=24.4，'=20 000。仿真結(jié)果如圖8 (a)和圖8(b)所示。

圖8 (a)直流母線電壓和(b)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓

從圖8(a)可以看出，改變參數(shù)以后，直流母線電壓在0.15 s左右很快達(dá)到穩(wěn)定，上下震蕩幅度在10 V以內(nèi)；并網(wǎng)電流也較之穩(wěn)定，不到一個(gè)電流周期達(dá)到同步。總電流諧波畸變率(THD)降至2.83%，符合國(guó)標(biāo)的規(guī)定，功率因數(shù)也都在0.99以上，完全滿足要求。

3.2 孤島檢測(cè)仿真分析

由于阻性負(fù)載對(duì)于常規(guī)AFD算法不存在檢測(cè)盲區(qū)，本文直接討論特定的RLC負(fù)載對(duì)于常規(guī)AFD檢測(cè)算法情況。

對(duì)于特定的RLC并聯(lián)負(fù)載，常規(guī)AFD檢測(cè)下的輸出電流頻率如圖9所示。

圖9 常規(guī)AFD下RLC負(fù)載輸出電流頻率

系統(tǒng)在0.06 s模擬孤島發(fā)生，由于RLC的特性與常規(guī)AFD施加的擾動(dòng)方向相互抵消，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)一直檢測(cè)不出孤島。

針對(duì)上述的RLC負(fù)載采用改進(jìn)型AFD檢測(cè)，其它參數(shù)不變，輸出電流頻率如圖10所示。從圖10可以看出，系統(tǒng)在0.12 s左右迅速檢測(cè)出孤島，達(dá)到預(yù)期的理想效果。

圖10 改進(jìn)型AFD下RLC負(fù)載輸出電流頻率

4 結(jié)論

本文以戶用型光伏并網(wǎng)逆變器為主要控制對(duì)象，從穩(wěn)定直流母線電壓和單位因數(shù)并網(wǎng)為出發(fā)點(diǎn)，采用電壓電流的雙閉環(huán)控制方式，詳細(xì)分析了電壓環(huán)和電流環(huán)的PI參數(shù)。通過(guò)Simulink仿真環(huán)境構(gòu)建了并網(wǎng)逆變器的仿真模型，完成了一款低諧波、高功率因數(shù)的并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)型的AFD孤島檢測(cè)算法用于孤島檢測(cè)，仿真結(jié)果表明：改進(jìn)型的算法對(duì)于任意的負(fù)載都能在規(guī)定時(shí)間(2 s)內(nèi)順利地檢測(cè)出來(lái)。

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Research and design on household PV grid-connected inverter

Full bridge inverter structure for household grid-connected PV inverter was adopted,and the analysis of grid-connected control strategy and island detects method were mainly mentioned.In order to maintain the DC bus voltage and keep unity power factor running,a double loop control strategy was chosen for the grid inverter.An improved active frequency drifting method was put forward to detect island.Matlab/Simulink's results show that the grid inverter designed in the paper is OK with low THD and high power factor.

household;grid-connected inverter;double-closed loop;islanding detection;improved AFD

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2175-04

2015-03-11

何軍(1987—)，男，江蘇省人，助理工程師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制技術(shù)。